CN102904063A - 基于频率选择表面单元的反射板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率选择表面单元的反射板，主要用于解决现有的反射板尺寸相对较大，无法应用在较小尺寸的天线，无法实现多角度天线雷达截面减缩的问题。本发明包括Z个频率选择表面单元（1）和基板（2），Z≥4，Z个频率选择表面单元呈矩形阵列均匀分布在基板的表面，每个频率选择表面单元，由四个贴片组成，每个贴片（11）包括长方形主干（111）和n个圆弧枝节（112），n个圆弧枝节交替排列在长方形主干的两侧；四个贴片以单个贴片左下角为中心，分别旋转90°、180°、270°，形成四个贴片的交错分布结构。本发明延长了频率选择表面单元的电尺寸，充分利用了空间，降低了谐振频率，可应用在尺寸较小的天线上，并实现多角度减缩天线雷达散射截面。

Description

基于频率选择表面单元的反射板

技术领域

本发明属于电磁材料技术领域，涉及频率选择表面单元的反射板，以及天线雷达截面减缩技术，可用于移动通信、无线局域网、室内屏蔽和安全防护等。

背景技术

雷达截面是一个复杂的物理量，它是表征目标可识别特性的一个最基本的参数，是目标在入射波照射下在给定方向或者来波方向上返回散射功率的一种量度。减缩雷达截面就是要控制和降低目标的雷达散射特性，降低敌方电子探测系统的效力，从而提高己方作战工具的突防能力和生存能力。在当前复杂的电磁环境下，如何降低目标的雷达截面，减缩结果能够达到什么程度，对现代化电子战争的胜败起着举足轻重的作用。

在天线的应用中，有时需要天线进行全向辐射，而在其它情况下又需要天线进行定向辐射，为了使天线在这种两种情况下都能得到应用，设计人员通常采用不同形状反射板的方法来实现天线的定向辐射。金属平面反射板对电磁波的反射特性使得天线的辐射方向得到了控制，增益得到了提高，但是对于外来电磁波而言，金属平板也是重要的散射源，极大地提高了天线雷达截面的量级。

频率选择表面是一种二维的周期阵列结构，具有空间滤波作用，可用来实现天线雷达截面减缩，缓解上述矛盾。现有的如图1所示的十字形频率选择表面结构单元，这种结构单元的尺寸相对较大，频率稳定性差，无法满足某些小天线安装的要求，使得频率选择表面在天线雷达截面减缩方面的应用受到很大程度上的限制，同时无法实现多角度雷达截面减缩。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于频率选择表面单元的反射板，以解决现有的频率选择表面单元尺寸相对较大，无法应用在较小尺寸的天线，无法实现多角度天线雷达截面减缩的问题。

本发明是这样实现的：

1、技术原理

本发明根据植物叶片的互生叶序结构对频率选择表面的结构单元做仿生处理，不但避免了相同臂上枝节之间的耦合，而且在有限空间内最大限度的增加了有效臂长。根据上述的思想，得到了仿生频率选择表面，其提高了空间利用率，减小了单元面积，将其应用于反射板后，可应用在尺寸较小的天线上，并实现多角度减缩天线雷达散射截面。

2、基于频率选择表面单元的反射板的结构

根据上述原理，本发明的包括：Z个频率选择表面单元和基板，Z≥4，Z个频率选择表面单元呈矩形阵列均匀分布在基板表面，其特征在于：

频率选择表面单元，由四个贴片组成，每个贴片包括长方形主干和n个圆弧枝节，n个圆弧枝节交替排列在长方形主干的两侧，0<n≤5；

所述的四个贴片以单个贴片左下角为中心，分别旋转90°、180°、270°，形成四个贴片的交错分布结构。

作为优选，所述的n个圆弧枝节，其宽度w均相同，且w≤w_t，其中w_t为长方形主干的宽度。

作为优选，所述的n个圆弧枝节，其内半径由内至外分别为w₁,w₂,…,w_i,…,w_n，0<w_i≤w_l，且满足w₁≤w₂≤…≤w_i≤…≤w_n，其中w_i为第i个圆弧枝节的半径，w_l为长方形主干的长度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数。

作为优选，所述的n个圆弧枝节，其所覆盖的角度，由内至外分别为θ₁,θ₂,…,θ_i,…,θ_n，0<θ_i≤90°，且满足θ₁≤θ₂≤...≤θ_i≤...≤θ_n，其中θ_i为第i个圆弧枝节覆盖的角度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数。

作为优选，所述的Z个频率选择表面单元呈矩形阵列，是指Z个频率选择单元在基板上分布为a行，b列，其中a≤b；相邻频率选择表面单元之间的距离为L，0<L≤w_n,其中w_n为第n个圆弧枝节的半径。

作为优选，所述的贴片上的长方形主干的参数取值范围为0.1mm≤w_t≤0.5mm,3mm≤w_l≤7mm,其中w_t为长方形主干的宽度，w_l为长方形主干的长度。

本发明由于在频率选择表面单元内采用圆弧枝节，在相同面积下延长了结构单元的总长度，提高了空间利用率；同时由于两侧交替分布圆弧枝节的贴片是对称的，并且采用矩形排布方式，使得基于频率选择表面单元的反射板具有良好的角度稳定性。

理论计算和实测结果表明，将本发明能有效降低天线雷达截面，同时不影响天线辐射性能；在相同条件下，本发明比现有反射板尺寸小，可应用于尺寸较小的天线；能够抑制多个角度的雷达截面峰值，实现多角度天线雷达截面减缩。

附图说明

图1是现有的十字形频率选择表面单元结构图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的频率选择表面单元结构示意图；

图4是本发明的贴片结构示意图；

图5是本发明的频率选择表面单元与现有的十字形频率选择表面单元的传输系数仿真结果对比图；

图6是本发明在平面波从不同角度入射时传输系数仿真结果图；

图7是天线加载本发明后回波损耗的测试仿真结果；

图8是天线加载本发明后xoz面归一化辐射方向图的测试结果；

图9是天线加载本发明后yoz面归一化辐射方向图的测试结果；

图10是天线加载本发明与加载现有金属反射板后在不同入射角度时的雷达截面对比图。

具体实施方式

参照图2，本发明为基于频率选择表面单元的反射板，包括Z个频率选择表面单元1和基板2，Z≥4。将基板2的表面按矩形均匀划分，矩形网格中心即为频率选择表面单元1的中心，Z个频率选择单元1按照a行b列排列的矩形形状均匀分布在矩形基板2上,其中a≤b；相邻频率选择表面单元之间的距离为L，0<L≤w_n,其中w_n为第n个圆弧枝节的半径。基板2的材料为介电常数为4.4的FR4材料。

参照图3和图4，本发明的频率选择表面单元1，由四个贴片11组成，每个贴片11包括长方形主干111和n个圆弧枝节112，0<n≤5，其中n个圆弧枝节112交替排列在长方形主干111的两侧。这四个贴片以任意一个左下角为中心分别旋转90°、180°、270°，形成四个贴片的交错分布结构。每个贴片11的n个圆弧枝节112的宽度w相同，n个圆弧枝节的内半径由内至外分别为w₁,w₂,…,w_i,…,w_n，0<w_i≤w_l，且满足w₁≤w₂≤…≤w_i≤…≤w_n，其中w_i为第i个圆弧枝节的半径，w_l为长方形主干（111）的长度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数；n个圆弧枝节，其所覆盖的角度，由内至外分别为θ₁,θ₂,…,θ_i,…,θ_n，0<θ_i≤90°，且满足θ₁≤θ₂≤...≤θ_i≤...≤θ_n，其中θ_i为第i个圆弧枝节覆盖的角度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数。贴片上的长方形主干的参数取值范围为0.1mm≤w_t≤0.5mm,3mm≤w_l≤7mm,其中w_t为长方形主干的宽度，w_l为长方形主干的长度。

实施例1:由240个频率选择表面单元组成的谐振频率为3.8GHz的反射板

频率选择表面反射板的基板选择长为264mm，宽为110mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。

贴片的长方形主干的长w_l=4.5mm，宽w_t=0.25mm，长方形主干上交替分布着三个圆弧枝节，圆弧枝节的宽w=0.2mm,三个圆弧枝节的半径由内至外分别为w₁=2.28mm、w₂=3.39mm、w₃=4.5mm，覆盖角度分别为θ₁＝θ₂＝θ₃＝80°。

在264mm×110mm矩形基板表面上依照边长为11mm的正方形均匀划分网格，正方形形网格中心即为频率选择表面单元的中心，240个频率选择表面单元按照10行24列排列的矩形形状均匀分布在基板表面上,相邻频率选择表面单元之间的距离L=2mm。

实施例2:由120个频率选择表面单元组成的谐振频率为3.9GHz的反射板

频率选择表面反射板的基板选择长为264mm，宽为65mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。

贴片的长方形主干的长w_l=4.4mm，宽w_t=0.25mm，长方形主干上交替分布着两个圆弧枝节，圆弧枝节的宽w=0.19mm,两个圆弧枝节的半径由内至外分别为w₁=3.39mm、w₂=4.6mm，覆盖角度分别为θ₁＝75°，θ₂＝80°。

在264mm×65mm矩形基板表面上依照边长为11mm，宽为13mm的矩形均匀划分网格，矩形网格中心即为频率选择表面单元的中心，120个频率选择表面单元按照5行24列排列的矩形形状均匀分布在矩形基板表面上，相邻频率选择表面单元之间的距离L=1.8mm。

实施例3:由100个频率选择表面单元组成的谐振频率为4GHz的反射板

频率选择表面反射板的基板选择长为120mm，宽为120mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。

贴片的长方形主干的长w_l=4.3mm，宽w_t=0.24mm，长方形主干上交替分布着两个圆弧枝节，圆弧枝节的宽w=0.2mm,两个圆弧枝节的半径由内至外分别为w₁=3.37mm、w₂=4.5mm，覆盖角度分别为θ₁＝75°，θ₂＝80°。

在120mm×120mm正方形形基板表面上依照边长为12mm的正方形均匀划分网格，正方形网格中心即为频率选择表面单元的中心，100个频率选择表面单元按照10行10列排列的矩形形状均匀分布在矩形基板表面上，相邻频率选择表面单元之间的距离L=1.9mm。

下面通过对实施例1的仿真和测量来进一步说明本发明的优点:

仿真1、本发明的频率选择表面单元与已有的十字形频率选择表面单元尺寸对比

对与本发明频率选择表面单元面积相同的已有十字形频率选择表面单元进行了仿真，并将其传输系数与本发明的传输系数进行了比较，结果如图5所示。

从图5可见，十字形频率选择表面单元的频率谐振在10.4GHz，而本发明频率选择表面单元的频率谐振在3.9GHz。由于频率越低，尺寸越大，由此可以得到，在相同频率的条件下，本发明具有尺寸小的优点。

仿真2、对本发明的角度稳定性进行的仿真

当平面波以0°，30°，45°和60°入射时，本发明的传输系数如图6所示。由图6可知，本发明频率选择表面单元的谐振频率基本稳定在3.9GHz，工作频带为3.76GHz~3.98GHz，由此可以看出本发明具有稳定的谐振频率和频率选择性。

仿真3、天线加载本发明后的辐射和散射性能

（3.1）天线加载本发明后的辐射仿真与测试结果

天线加载本发明后在3.7~4.2GHz内的回波损耗如图7所示，从图7中可以看出天线的回波损耗曲线拟合良好。

天线加载本发明后的xoz面和yoz面方向图特性分别如图8和图9所示，从图8和图9可以看出，天线加载本发明后的辐射方向图特性良好。

（3.2）天线加载本发明和现有金属反射板后的雷达截面测试结果对比

天线加载本发明与加载现有金属反射板后在不同入射角度时的雷达截面对比图如图10所示，其中图10（a）为平面波水平入射时的雷达截面对比图，图10（b）为平面波以30°入射时的雷达截面对比图。

由图10可见，在2.6-4.2GHz的天线工作频带内，为保证天线辐射性能，天线加载本发明后的雷达截面值和加载现有反射板的雷达截面值相近，雷达截面减缩不明显。而在1～2.6GHz和4.2～8GHz天线工作频带外，天线加载本发明后的雷达截面值比加载现有反射板的雷达截面有不同程度上的减缩。

以上仅为本发明天线的三个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明天线的可应用于较小天线、多角度RCS减缩的特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (6)

1.一种基于频率选择表面单元的反射板，包括Z个频率选择表面单元（1）和基板（2），Z≥4，Z个频率选择表面单元（1）呈矩形阵列均匀分布在基板（2）的表面，其特征在于：

每个频率选择表面单元（1），由四个贴片组成，每个贴片（11）包括长方形主干（111）和n个圆弧枝节（112），n个圆弧枝节（112）交替排列在长方形主干（111）的两侧，0＜n≤5；

所述的四个贴片以单个贴片（11）左下角为中心，分别旋转90°、180°、270°，形成四个贴片的交错分布结构。

2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面单元的反射板，其特征在于所述的n个圆弧枝节（112），其宽度w均相同，且w≤w_t，其中w_t为长方形主干（111）的宽度。

3.根据权利要求2所述的基于频率选择表面单元的反射板，其特征在于所述的n个圆弧枝节（112），其内半径由内至外分别为w₁,w₂,…,w_i,…,w_n，0<w_i≤w_l，且满足w₁≤w₂≤…≤w_i≤…≤w_n，其中w_i为第i个圆弧枝节的半径，w_l为长方形主干（111）的长度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数。

4.根据权利要求3所述的基于频率选择表面单元的反射板，其特征在于所述的n个圆弧枝节（112），其所覆盖的角度，由内至外分别为θ₁,θ₂,…,θ_i,…,θ_n，0<θ_i≤90°，且满足θ₁≤θ₂≤...≤θ_i≤...≤θ_n，其中θ_i为第i个圆弧枝节覆盖的角度，1≤i≤n，n为圆弧枝节的总个数。

5.根据权利要求1所述的基于频率选择表面单元的反射板，其特征在于Z个频率选择表面单元（1）呈矩形阵列，是指Z个频率选择单元（1）在基板上分布为a行，b列，其中a≤b；相邻频率选择表面单元之间的距离为L，0<L≤w_n,其中w_n为第n个圆弧枝节的半径。

6.根据权利要求1所述的基于频率选择表面单元的反射板，其特征在于贴片（11）上的长方形主干（111）的参数取值范围为0.1mm≤w_t≤1mm,3mm≤w_l≤7mm,其中w_t为长方形主干（111）的宽度，w_l为长方形主干（111）的长度。

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